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一種智能的碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)核及驅(qū)動(dòng)要求與特性詳解-KIA MOS管

信息來(lái)源:本站 日期:2020-04-27 

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一種智能的碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)核及驅(qū)動(dòng)要求與特性詳解

碳化硅mosfet是什么

在SiC MOSFET的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面,與相同功率等級(jí)的Si MOSFET相比,SiC MOSFET導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)損耗大幅降低,適用于更高的工作頻率,另由于其高溫工作特性,大大提高了高溫穩(wěn)定性。


一種智能的碳化硅MOSFET驅(qū)動(dòng)核詳解

近年來(lái),以碳化硅、氮化鎵材料為代表的第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件越來(lái)越受到客戶(hù)的追捧。特別是碳化硅材料的MOSFET、肖特基二極管,以其寬帶隙,高電場(chǎng)強(qiáng)度,良好散熱特性,以及高可靠性等特點(diǎn),為客戶(hù)的產(chǎn)品帶來(lái)高效率,高頻率,小體積,降低系統(tǒng)成本等效益,廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電,新能源汽車(chē),通信基站電源,充電樁,高鐵,電網(wǎng)輸電等領(lǐng)域。


業(yè)界領(lǐng)先的碳化硅制造商Wolfspeed(A Cree Company),推出650V~15kV的SiC MOSFET器件,憑借其優(yōu)越的性能、可靠的品質(zhì)以及強(qiáng)有力的技術(shù)支持,贏得了客戶(hù)的信賴(lài),成為引領(lǐng)市場(chǎng)發(fā)展的產(chǎn)品。其中,650V~1700V的分立器件SiC MOSFET尤其受到歡迎。

碳化硅MOSFET擁有超低的開(kāi)關(guān)損耗,僅為硅IGBT十分之一,快速開(kāi)關(guān)的特性意味著可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高頻化和小型化,并提高效率。


高壓及超快的開(kāi)關(guān)速度帶來(lái)的超高di/dt,dv/dt,會(huì)通過(guò)系統(tǒng)的雜散電感,電容形成干擾,對(duì)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。原有的Si MOSFET應(yīng)用設(shè)計(jì)理論還會(huì)適用,然而一些在硅器件開(kāi)關(guān)速度的環(huán)境下是微不足道的參數(shù),卻會(huì)在高速的SiC器件應(yīng)用中產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。


SiC MOSFET的門(mén)極是一個(gè)耐壓非對(duì)稱(chēng)體,以行業(yè)龍頭Wolfspeed器件為例,其第二代SiC MOSFET的耐受電壓為+25/-10V,推薦工作電壓為+20/-5V,其中閾值電壓最小僅為+2.0V,與傳統(tǒng)Si MOSFET,IGBT完全不兼容。改進(jìn)后第三代的耐受電壓為+19/-8V,推薦工作電壓為+15/-4V,其中最小閾值電壓下降到了+1.7V(如下圖所示)。在碳化硅MOSFET的閾值電壓非常低,在超快速的di/dt,dv/dt下,為了避免高速開(kāi)關(guān)帶來(lái)的串?dāng)_,譬如誤開(kāi)通,門(mén)極超壓,直通短路等,需要在SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上做一些必要的改進(jìn)。


碳化硅mosfet驅(qū)動(dòng)

SiC MOSFET與傳統(tǒng)MOSFET的門(mén)極耐受電壓及閾值電壓對(duì)比


為了讓客戶(hù)能夠更快速地,更容易地使用并熟悉SiC MOSFET以及其驅(qū)動(dòng)的性能及特性,深圳市鵬源電子有限公司新推出的【α】系列驅(qū)動(dòng)核(APD06XXXA1C-17),是專(zhuān)門(mén)為Wolfspeed公司的一系列分立SiC MOSFET設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單易用驅(qū)動(dòng)器。


【α】系列驅(qū)動(dòng)核具有短路保護(hù),米勒鉗位,過(guò)溫保護(hù),欠壓保護(hù)等優(yōu)異特性,有簡(jiǎn)單易用的集成驅(qū)動(dòng)電源版本和性?xún)r(jià)比極高的外置驅(qū)動(dòng)電源版本可供不同客戶(hù)需要進(jìn)行選擇,目前集成驅(qū)動(dòng)電源版本已經(jīng)可以供貨。為了針對(duì)第二代和第三代SiC MOSFET的應(yīng)用,【α】驅(qū)動(dòng)核目前推出APD06204A1C-17(+20V/-4),APD06153A1C-17(+15V/-3V)兩個(gè)型號(hào),可兼容Wolfspeed 650V~1700V單管SiC MOSFET,支持500kHz的開(kāi)關(guān)頻率,以及100kV/us的高dv/dt抗干擾能力。


碳化硅mosfet驅(qū)動(dòng)


碳化硅mosfet特性

1、導(dǎo)通電阻隨溫度變化率較小,高溫情況下導(dǎo)通阻抗很低,能在惡劣的環(huán)境下很好的工作。

2、隨著門(mén)極電壓的升高,導(dǎo)通電阻越小,表現(xiàn)更接近于壓控電阻。

3、開(kāi)通需要門(mén)極電荷較小,總體驅(qū)動(dòng)功率較低,其體二極管Vf較高,但反向恢復(fù)性很好,可以降低開(kāi)通損耗。

4、具有更小的結(jié)電容,關(guān)斷速度較快,關(guān)斷損耗更小。

5、開(kāi)關(guān)損耗小,可以進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作,使得濾波器等無(wú)源器件小型化,提高功率密度。

6、開(kāi)通電壓高于高于SI器件,推薦使用Vgs為18V或者20V,雖然開(kāi)啟電壓只有2.7V,但只有驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到18V~20V時(shí)才能完全開(kāi)通。

7、誤觸發(fā)耐性稍差,需要有源鉗位電路或者施加負(fù)電壓防止其誤觸發(fā)。


碳化硅mosfet驅(qū)動(dòng)要求

1、觸發(fā)脈沖有比較快的上升速度和下降速度,脈沖前沿和后沿要陡。

2、驅(qū)動(dòng)回路的阻抗不能太大,開(kāi)通時(shí)快速對(duì)柵極電容充電,關(guān)斷時(shí)柵極電容能夠快速放電。

3、驅(qū)動(dòng)電路能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流

4、驅(qū)動(dòng)電路能夠提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓,減小SIC MOSFET的導(dǎo)通損耗。

5、驅(qū)動(dòng)電路采用負(fù)壓關(guān)斷,防止誤導(dǎo)通,增強(qiáng)其抗干擾能力。

6、驅(qū)動(dòng)電路整個(gè)驅(qū)動(dòng)回路寄生電感要小,驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近功率管。

7、驅(qū)動(dòng)電路峰值電流Imax要更大,減小米勒平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間,提高開(kāi)關(guān)速度。


碳化硅mosfet驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

對(duì)于有IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō),SIC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)類(lèi)似,可以在原來(lái)的驅(qū)動(dòng)電路上進(jìn)行修改參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。


SIC MOSFET電源的設(shè)計(jì),根據(jù)其特性,需要有負(fù)壓關(guān)斷和相比SI MOSFET較高的驅(qū)動(dòng)電壓,一般設(shè)計(jì)電源為-6V~+22V,根據(jù)不同廠家的不同Datasheet大家選擇合適的電源正負(fù)電壓的設(shè)計(jì),這里只給出一個(gè)籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)范圍。可以將IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行稍微修改使用在這里,比如,特斯拉在分立IGBT和SIC IGBT上都是用反激電源,具體電路參考?xì)v史文章中對(duì)特斯拉Model S 與Model 3的硬件對(duì)比分析中,也可以使用電源模塊,比如國(guó)內(nèi)做的比較好的金升陽(yáng)的電源模塊,可以降低設(shè)計(jì)難度,但成本也會(huì)相應(yīng)的升高。


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